RU2562153C1 - Determination of fields of numerical concentration of disperse phase in aerosol flow and device to this end - Google Patents

Determination of fields of numerical concentration of disperse phase in aerosol flow and device to this end Download PDF

Info

Publication number
RU2562153C1
RU2562153C1 RU2014119714/28A RU2014119714A RU2562153C1 RU 2562153 C1 RU2562153 C1 RU 2562153C1 RU 2014119714/28 A RU2014119714/28 A RU 2014119714/28A RU 2014119714 A RU2014119714 A RU 2014119714A RU 2562153 C1 RU2562153 C1 RU 2562153C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
concentration
laser sheet
radiation
particles
disperse phase
Prior art date
Application number
RU2014119714/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Иван Алексеевич Амелюшкин
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" (ФГУП "ЦАГИ")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" (ФГУП "ЦАГИ") filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" (ФГУП "ЦАГИ")
Priority to RU2014119714/28A priority Critical patent/RU2562153C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2562153C1 publication Critical patent/RU2562153C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: optical system of lenses and diaphragm created a constant-width laser pane in analyzed area. Concentration of disperse phase is defined by intensity of radiation particles dissipated in said plane. In compliance with this process, disperse phase concentration spatial distribution is obtained at notable number of particles or drops in aerosol flow at axially symmetric stream. Transition from relative units of measurement of disperse phase numerical concentration fields to absolute values id executed by system calibration. Calibration consists in comparison of radiation dissipated by disperse phase with measured magnitude of disperse phase numerical concentration with the help of weight process.
EFFECT: higher accuracy definition of concentration and disperse phase mass density in space, evaluation of disperse phase particles distribution.
2 cl, 12 dwg, 2 tbl

Description

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике, в частности к бесконтактному количественному определению пространственного распределения концентрации частиц (массовой и объемной) в аэрозольном потоке без внесения в него возмущений. Может быть применено для оптического зондирования физических процессов, визуализации, качественного и количественного определение физических параметров в оптически неоднородных средах, в том числе в аэродинамических трубах и в биологических тканях.The present invention relates to measuring technique, in particular to non-contact quantitative determination of the spatial distribution of particle concentration (mass and volume) in an aerosol stream without introducing disturbances into it. It can be used for optical sensing of physical processes, visualization, qualitative and quantitative determination of physical parameters in optically inhomogeneous media, including wind tunnels and biological tissues.

В настоящее время существует множество приборов и устройств визуализации и количественного измерения параметров жидкости и газа при обтекании тел многофазным потоком.Currently, there are many instruments and devices for visualization and quantitative measurement of the parameters of liquid and gas during the flow of bodies around a multiphase stream.

1. Наиболее известные фирмы Lavision (www.lavision.com), Dantec (www.dantecdynamics.com), а также отечественная фирма «Полис» (http://www.itp.nsc.ru) используя самые современные достижения в науке и технике (зарубежные исследования), выпускают приборы, определяющие характеристики и структуры многофазных течений. Известны способы измерения концентрации частиц (весовые нефелометры, нефелометры, основанные на поглощении излучения и др.) и капель в потоке, когда количественные измерения проводят только в отдельных точках. Трехмерную структуру течения восстанавливают путем томографического многократного фотографирования перемещающейся световой плоскости лазерного листа (напр., www.lavision.com), интенсивность излучения которой меняется во всей этой плоскости. Это существенно усложняет обработку изображения и может привести к ошибкам измерения. При этом, для построения лазерного листа используют цилиндрическую линзу или вращающиеся зеркала. Это неизбежно приводит к расхождению плоскости лазерного листа и, как следствие, к снижению точности измерений.1. The most famous companies Lavision (www.lavision.com), Dantec (www.dantecdynamics.com), as well as the domestic company Polis (http://www.itp.nsc.ru) using the most modern achievements in science and technology (foreign research), produce devices that determine the characteristics and structures of multiphase flows. Known methods for measuring the concentration of particles (weight nephelometers, nephelometers based on the absorption of radiation, etc.) and drops in the stream, when quantitative measurements are carried out only at individual points. The three-dimensional structure of the flow is restored by tomographic multiple photographs of the moving light plane of the laser sheet (eg, www.lavision.com), the radiation intensity of which varies throughout this plane. This greatly complicates image processing and can lead to measurement errors. In this case, to build a laser sheet using a cylindrical lens or rotating mirrors. This inevitably leads to a divergence of the plane of the laser sheet and, as a result, to a decrease in the measurement accuracy.

2. Известен способ PDPA - Particle Doppler Phase Analyzer, заключающийся в измерении скорости, размеров и концентрации дисперсной фазы в области пересечения двух лазерных лучей путем анализа изменения интерференционной картины (см., напр., С.М. Sipperley and W.D. Bachalo Triple Interval Phase Doppler Interferometry: Improved Dense Sprays Measurements and Enhanced Phase Discrimination ILASS Americas, 25th Annual Conference on Liquid Atomization and Spray Systems, Pittsburgh, PA, May 2013). Недостатком этого способа является пространственная ограниченность измерений - возможность получать значения параметров потока лишь в одной точке пространства.2. The PDPA method is known - Particle Doppler Phase Analyzer, which consists in measuring the speed, size and concentration of the dispersed phase at the intersection of two laser beams by analyzing changes in the interference pattern (see, for example, S. M. Sipperley and WD Bachalo Triple Interval Phase Doppler Interferometry: Improved Dense Sprays Measurements and Enhanced Phase Discrimination (ILASS Americas, 25th Annual Conference on Liquid Atomization and Spray Systems, Pittsburgh, PA, May 2013). The disadvantage of this method is the spatial limitedness of the measurements - the ability to obtain values of the flow parameters at only one point in space.

3. Известен весовой способ определения запыленности и водности среды, заключающийся в выделении частиц из известного объема аэрозольной среды с последующим их взвешиванием. Устройство состоит из (Волков Э.П., Гаврилов Е.И., Дужин Ф.П. Газоотводящие трубы ТЭС и АЭС // М.: Энергоатомиздат. - 1987. - 280 с., Волков Э.П. Контроль загазованности атмосферы выбросами ТЭС // М.: Энергоатомиздат. 1986. - 255 с.) заборной трубки (при осаждении пыли вне газорасхода), устройства для осаждения частиц, устройства для измерения расхода отбираемых газов и средства для отсоса газов. Этот способ обладают рядом недостатков, к которым можно отнести внесение возмущения в аэрозольный поток, невозможность непрерывного автоматического контроля распределения концентрации частиц в аэрозольном потоке и длительность отбора проб частиц и их анализа.3. There is a known weighted method for determining the dust content and water content of a medium, which consists in separating particles from a known volume of aerosol medium with their subsequent weighing. The device consists of (Volkov E.P., Gavrilov E.I., Duzhin F.P. Gas exhaust pipes of thermal power plants and nuclear power plants // M .: Energoatomizdat. - 1987. - 280 p., Volkov E.P. Gas contamination control by emissions Thermal Power Station // M .: Energoatomizdat. 1986. - 255 p.) Intake pipe (when dust is deposited outside the gas consumption), a device for the deposition of particles, a device for measuring the flow rate of sampled gases and means for exhausting gases. This method has several disadvantages, which include the perturbation of the aerosol stream, the inability to continuously automatically control the distribution of particle concentration in the aerosol stream, and the duration of particle sampling and analysis.

4. Известен способ построения лазерного листа с помощью вращающегося зеркала (см., напр., www.laserpribor.ru). Метод вращающегося зеркала неизбежно приводит к расхождению лучей излучения и трудностям обработки полученных изображений.4. A known method of constructing a laser sheet using a rotating mirror (see, for example, www.laserpribor.ru). The rotating mirror method inevitably leads to divergence of radiation rays and difficulties in processing the obtained images.

5. Информация о числовой концентрации частиц и капель может быть также получена из анализов данных измерения способом масляной ловушки (использованного, напр., в Миллер А.Б., Потапов Ю.Ф., Токарев О.Д., Яшин А.Е. Экспериментальные исследования образования барьерного льда на обычных и наномодифицированных поверхностях авиационных материалов // Материалы XXIV научно-технической конференции по аэродинамике в пос. им. В. Володарского. - М.: Изд-во ЦАГИ. - 2013. - С. 179), заключающийся во внесении в поток импактора-пластины, покрытой маслом, в которое попадают частицы или капли, застревая в нем. Данный способ предназначен для измерения распределения частиц и капель в потоке по их размерам, а погрешность определения концентрации частиц и капель может быть существенна.5. Information on the numerical concentration of particles and droplets can also be obtained from analysis of the measurement data by the oil trap method (used, for example, in Miller AB, Potapov Yu.F., Tokarev OD, Yashin A.E. Experimental studies of the formation of barrier ice on conventional and nanomodified surfaces of aviation materials // Materials of the XXIV Scientific and Technical Conference on Aerodynamics in the Village named after V. Volodarsky. - M.: TsAGI Publishing House. - 2013. - P. 179), consisting in introducing into the stream an impactor plate coated with oil into which I get t particles or drops stuck in it. This method is designed to measure the distribution of particles and droplets in the stream by their size, and the error in determining the concentration of particles and droplets can be significant.

6. Информация о числовой концентрации частиц в аэрозольном потоке может быть также получена путем анализа Шлирен изображений, полученных при зондировании дисперсного потока (см., напр., William D. Bachalo, Chad Sipperley, and Gregory Payne Aircraft Icing Research: Challenges in Cloud Simulation and Characterization ILASS Americas, 23-nd Annual Conference on Liquid Atomization and Spray Systems, Ventura, CA., May 2011). Данный способ позволяет лишь качественно оценивать распределение числовой концентрации дисперсной фазы, т.к. на пути света оказывается все пространство заполненное частицами, что может привести к существенным ошибкам измерений.6. Information on the numerical concentration of particles in an aerosol stream can also be obtained by analyzing Schlieren images obtained by sensing a dispersed stream (see, for example, William D. Bachalo, Chad Sipperley, and Gregory Payne Aircraft Icing Research: Challenges in Cloud Simulation and Characterization ILASS Americas, 23nd Annual Conference on Liquid Atomization and Spray Systems, Ventura, CA., May 2011). This method allows only a qualitative assessment of the distribution of the numerical concentration of the dispersed phase, because all space filled with particles appears on the path of light, which can lead to significant measurement errors.

Прототипом принят способ определения концентрации дисперсной фазы в аэрозольном потоке методом лазерного листа (Василевский Э.Б., Безменов В.Я., Боровой В.Я., Горелов В.А., Жилин Ю.В., Казанский Р.А., Мошаров В.Е., Чирихин А.В., Яковлева Л.В. Экспериментальное исследование течения, теплообмена и электрооптических явлений при обтекании тел сверхзвуковым аэродисперсным потоком. // «ЦАГИ - основные этапы научной деятельности 1993-2003» - М.: Физматлит, - 2003. - С. 452-457). С помощью цилиндрической линзы пучок лазерного излучения разворачивают в расходящуюся световую плоскость. В соответствии с расхождением этой плоскости находят пространственное распределение интенсивности зондирующего излучения в пространстве вдали от источника. По интенсивности рассеянного частицами излучения на фотоснимке лазерного листа определяют распределение концентрации дисперсной фазы вблизи обтекаемого тела в относительных величинах. Устройство для реализации способа содержит источник лазерного излучения, цилиндрическую линзу, фотоприемник и цифровую аппаратуру обработки изображения лазерного листа.The prototype adopted a method for determining the concentration of the dispersed phase in an aerosol stream by the laser sheet method (Vasilevsky E.B., Bezmenov V.Ya., Borovoi V.Ya., Gorelov V.A., Zhilin Yu.V., Kazansky R.A., Mosharov V.E., Chirikhin A.V., Yakovleva L.V. An experimental study of the flow, heat transfer, and electro-optical phenomena during the flow of a supersonic aerodispersed stream around bodies // TsAGI - the main stages of scientific activity 1993-2003 - M .: Fizmatlit , - 2003. - S. 452-457). Using a cylindrical lens, the laser beam is turned into a diverging light plane. In accordance with the discrepancy of this plane find the spatial distribution of the intensity of the probe radiation in space far from the source. The intensity distribution of the radiation scattered by particles in a photograph of a laser sheet determines the distribution of the concentration of the dispersed phase near the streamlined body in relative values. A device for implementing the method comprises a laser radiation source, a cylindrical lens, a photodetector, and digital equipment for processing an image of a laser sheet.

Одним из недостатков прототипа является расходимость лучей лазерного листа и, как следствие, неоднородность интенсивности зондирующего излучения в плоскости лазерного листа, что может существенно снизить точность получения полей числовой концентрации частиц и капель в аэрозольном потоке. Другим недостатком является то, что не учитывают ослабление зондирующего излучения в среде, засеянной частицами.One of the disadvantages of the prototype is the divergence of the rays of the laser sheet and, as a result, the heterogeneity of the intensity of the probe radiation in the plane of the laser sheet, which can significantly reduce the accuracy of obtaining the fields of the numerical concentration of particles and droplets in the aerosol stream. Another disadvantage is that they do not take into account the attenuation of probe radiation in a medium seeded with particles.

Задачей и техническим результатом изобретения является повышение точности определения пространственного распределения числовой концентрации частиц или капель в аэрозольном потоке, а также переход от относительных величин измерения к абсолютным значениям.The objective and technical result of the invention is to increase the accuracy of determining the spatial distribution of the numerical concentration of particles or droplets in the aerosol stream, as well as the transition from relative measurement values to absolute values.

Помимо задач, связанных с измерением полей концентрации дисперсной фазы, способ может быть использован при оптическом зондировании физических процессов, происходящих в гидродисперсных потоках, биологических тканях и других оптически неоднородных средах. Помимо задач, связанных с измерением полей концентрации дисперсной фазы, устройство реализации способа может быть использовано при визуализации потоков жидкости и газа, количественном измерении (в аэродинамических трубах и в биологических тканях) параметров потока (скорость, плотность, энергия турбулентных пульсаций, распределение примеси и т.п.).In addition to the tasks associated with measuring the concentration fields of the dispersed phase, the method can be used for optical sensing of physical processes occurring in hydrodispersed flows, biological tissues, and other optically inhomogeneous media. In addition to the tasks associated with measuring the concentration fields of the dispersed phase, a device for implementing the method can be used to visualize fluid and gas flows, quantitatively measuring (in wind tunnels and biological tissues) flow parameters (speed, density, energy of turbulent pulsations, impurity distribution, and t .P.).

Решение поставленной задачи и технический результат достигаются тем, что в способе определения полей числовой концентрации дисперсной фазы в аэрозольном потоке, состоящем в том, что создают лазерный лист и по анализу интенсивности рассеянного частицами (дисперсной фазой) излучения в световой плоскости лазерного листа определяют поля концентрации дисперсной фазы, при этом создают лазерный лист, имеющий постоянную ширину, при обработке данных оптико-физического эксперимента учитывают ослабление зондирующего излучения в аэрозольной среде; изображение лазерного листа, зондирующего осесимметричное обтекание тел дисперсным потоком, обрабатывают вдоль пути распространения излучения, используют дополнительную информацию о симметрии потока, используют метод последовательных приближений (итераций) для обеспечения сходимости к верному решению, проводят калибровку оптико-измерительной системы путем сопоставления яркости рассеянного излучения на фотоснимке лазерного листа и определенной концентрации дисперсной фазы весовым методом.The solution of the problem and the technical result are achieved by the fact that in the method for determining the fields of the numerical concentration of the dispersed phase in the aerosol stream, which consists in creating a laser sheet and analyzing the intensity of the radiation scattered by the particles (dispersed phase) in the light plane of the laser sheet, the concentration fields of the dispersed phase, while creating a laser sheet having a constant width, when processing the data of the optical-physical experiment take into account the attenuation of probe radiation in aerosol cf food; the image of the laser sheet probing the axisymmetric dispersed flux around the bodies is processed along the radiation propagation path, additional information on the flow symmetry is used, the method of successive approximations (iterations) is used to ensure convergence to the correct solution, the optical measurement system is calibrated by comparing the brightness of the scattered radiation on a photograph of a laser sheet and a certain concentration of the dispersed phase by the gravimetric method.

Решение поставленной задачи и технический результат достигаются также тем, что устройство для построения лазерного листа, содержащее источник лазерного излучения, цилиндрическую линзу, фотоприемник и цифровую аппаратуру обработки изображения лазерного листа, дополнительно содержит большую собирающую линзу переменного радиуса кривизны, расположенную за цилиндрической линзой, и диафрагму, расположенную за большой собирающей линзой для создания лазерного листа, имеющего постоянную ширину.The solution of the problem and the technical result are also achieved by the fact that the device for constructing a laser sheet containing a laser source, a cylindrical lens, a photodetector and digital image processing apparatus for the laser sheet, further comprises a large collecting lens of variable radius of curvature located behind the cylindrical lens, and a diaphragm located behind a large collecting lens to create a laser sheet having a constant width.

Фиг. 1. Схема оптического зондирования обтекания тела аэрозольным потоком.FIG. 1. Scheme of optical sensing aerosol flow around a body.

Фиг. 2. Схема фотосъемки лазерного листа при оптическом зондировании обтекания тела аэрозольным потоком (ось x потока перпендикулярна плоскости фигуры).FIG. 2. Scheme for photographing a laser sheet during optical sensing of an aerosol stream around a body (the x axis of the stream is perpendicular to the plane of the figure).

Фиг. 3. Оптическая схема устройства построения лазерного листа постоянной ширины (вид сбоку).FIG. 3. Optical diagram of a device for constructing a laser sheet of constant width (side view).

Фиг. 4. Оптическая схема устройства построения лазерного листа постоянной ширины (вид спереди).FIG. 4. The optical scheme of the device for constructing a laser sheet of constant width (front view).

Фиг. 5. Зависимость максимального угла β расхождения светового пучка после его прохождения через цилиндрическую линзу от радиуса r этой линзы при различных значениях показателя преломления оптического стекла nλ.FIG. 5. The dependence of the maximum angle β of the divergence of the light beam after it passes through the cylindrical lens on the radius r of this lens for various values of the refractive index of the optical glass n λ .

Фиг. 6. Зависимость расстояния L от показателей преломления оптических стекол линз системы mλ и nλ малой цилиндрической и большой собирающей линз соответственно.FIG. 6. The dependence of the distance L on the refractive indices of the optical glasses of the lenses of the system m λ and n λ of small cylindrical and large collecting lenses, respectively.

Фиг. 7. Зависимость радиуса кривизны большой собирающей линзы от угла γ при различных значениях показателя преломления материалов линз оптической системы mλ=nλ.FIG. 7. The dependence of the radius of curvature of a large collecting lens on the angle γ for various values of the refractive index of the materials of the lenses of the optical system m λ = n λ .

Фиг 8. Визуализация методом лазерного листа газопылевого и суспензионного потоков.Fig 8. Visualization by the method of a laser sheet of dust and suspension flows.

Фиг. 9. Схема использования информации при интегрировании вдоль пути распространения излучения. Ось x потока перпендикулярна плоскости фигуры.FIG. 9. The scheme of using information during integration along the radiation propagation path. The x axis of the flow is perpendicular to the plane of the figure.

Фиг. 10. Верификация способа обработки изображения лазерного листа.FIG. 10. Verification of the image processing method of the laser sheet.

Фиг. 11. Схема количественного определения пространственного распределения концентрации частиц в аэрозольном потоке.FIG. 11. Scheme for quantitative determination of the spatial distribution of the concentration of particles in the aerosol stream.

Фиг. 12. Индикатрисы рассеивания, рассчитанные по теории Ми.

Figure 00000001
, a - радиус частицы, λ=0.63 мкм - длина волны зондирующего излучения.FIG. 12. Dispersion indicators calculated according to Mie theory.
Figure 00000001
, a is the particle radius, λ = 0.63 μm is the wavelength of the probe radiation.

Рассмотрим использование лазерного листа при зондировании осесимметричного обтекания затупленного тела сверхзвуковым аэрозольным потоком (фиг. 1) с пространственным распределением в единице объема (в дальнейшем, концентрации) n(x, y, z) одинаковых шаровых частиц из известного материала и радиуса а: пример геометрических и физических параметров указаны в табл. 1 и 2 соответственно. Let us consider the use of a laser sheet for probing an axisymmetric flow around a blunt body with a supersonic aerosol stream (Fig. 1) with a spatial distribution in a unit volume (hereinafter, concentration) of n (x, y, z) of identical spherical particles of known material and radius a : an example of geometric and physical parameters are shown in table. 1 and 2, respectively.

На фиг. 1 изображены 1 - плоскость лазерного листа, 2 - направление излучения 3 - направление аэрозольного потока, 4 -обтекаемое тело, 5 - область, охватываемая фотоприемником, 6 - объектив фотоприемника (светочувствительная матрица). Плоскость объектива фотоприемника параллельна плоскости лазерного листа, плоскость лазерного листа проходит через ось симметрии аэрозольного потока x и принадлежит плоскости z=0. Каждая частица обладает своим коэффициентом рассеивания Qsca, коэффициентом поглощения Qa и коэффициентом ослабления (экстинкции) Qext=Qsca+Qa падающего излучения интенсивностью I0 с длиной волны λ, которые вычисляются с помощью известной теории Ми (или формуле Релея в случае малых частиц) в зависимости от электромагнитных свойств материала частиц и их размеров. В пренебрежении многократным рассеиванием энергии излучения получим формулу, связывающую излучение в каждой ячейке фотоснимка световой плоскости (лазерного листа), и концентрацию частиц n в зондируемом объеме.In FIG. 1 — 1 — plane of the laser sheet, 2 — direction of radiation 3 — direction of the aerosol stream, 4 — streamlined body, 5 — region covered by the photodetector, 6 — lens of the photodetector (photosensitive matrix). The plane of the photodetector lens is parallel to the plane of the laser sheet, the plane of the laser sheet passes through the axis of symmetry of the aerosol stream x and belongs to the plane z = 0. Each particle has its own scattering coefficient Q sca , absorption coefficient Q a and attenuation coefficient (extinction) Q ext = Q sca + Q a of incident radiation of intensity I 0 with wavelength λ, which are calculated using the well-known Mie theory (or the Rayleigh formula in the case small particles) depending on the electromagnetic properties of the particle material and their size. Neglecting the multiple dissipation of radiation energy, we obtain a formula relating radiation in each cell of a photograph of the light plane (laser sheet) and the concentration of particles n in the probed volume.

Figure 00000002
Figure 00000002

Figure 00000003
Figure 00000003

Интенсивность излучения I A i ( x , y )

Figure 00000004
в каждой точке A(x, y) плоскости z=0 лазерного листа (фиг. 1) пропорциональна концентрации частиц n(x, y, 0) в малой окрестности этой точки, толщине ножа h, а также коэффициенту рассеивания излучения πa 2Qsca(a) при заданной длине волны. Здесь индекс i означает incident (падающий).Radiation intensity I A i ( x , y )
Figure 00000004
at each point A (x, y) of the z = 0 plane of the laser sheet (Fig. 1), it is proportional to the particle concentration n (x, y, 0) in a small neighborhood of this point, the knife thickness h, and also the radiation scattering coefficient π a 2 Q sca ( a ) at a given wavelength. Here the index i means incident (falling).

При этом следует учитывать ослабление излучения вдоль оси y, т.к., проходя к данной точке, световая энергия затухает по известному экспоненциальному закону (Бугера) в результате ее рассеивания и поглощения частицами аэрозоля (молекулярные рассеивание и поглощение малы: их не имеет смысла учитывать).In this case, one should take into account the attenuation of radiation along the y axis, since, passing to a given point, the light energy decays according to the well-known exponential law (Bouguer) as a result of its scattering and absorption by aerosol particles (molecular scattering and absorption are small: it does not make sense to take them into account )

Figure 00000005
Figure 00000005

Каждая точка плоскости лазерного листа взаимно-однозначно отображается на фотоснимке. Из каждой светящейся (в результате рассеивания) ячейки световой плоскости листа лучистая энергия, затухая, попадает, пройдя через линзу объектива (фиг. 2), на соответствующую точку S(xM, yM) матрицы фотоприемника, а выражение для интенсивности сигнала Ie(xxM(х), yM(y)) в произвольной точке S(xM, yM) на фотоснимке будет следующим:Each point on the plane of the laser sheet is one-to-one displayed on the photograph. From each luminous (as a result of scattering) cell of the light plane of the sheet, the radiant energy, fading out, passes through the objective lens (Fig. 2) to the corresponding point S (x M , y M ) of the photodetector matrix, and the expression for the signal intensity I e (xx M (x), y M (y)) at an arbitrary point S (x M , y M ) in the photograph will be as follows:

Figure 00000006
Figure 00000006

где s - путь, пройденный светом от точки плоскости лазерного листа A(x, y), до точки S(xM(x), y0(y)), плоскости светочувствительной матрицы: фотоснимка. Малая площадка A1A2 и отрезок AL образуют телесный угол Ω, внутри которого происходят потери лучистой энергии (фиг.2), попавшей в фотоприемник из элемента A1A2 плоскости листа. where s is the path traveled by light from a point on the plane of the laser sheet A (x, y) to point S (x M (x), y 0 (y)), on the plane of the photosensitive matrix: a photograph. The small area A 1 A 2 and the segment AL form a solid angle Ω, inside which there is a loss of radiant energy (Fig. 2) that has fallen into the photodetector from the sheet plane element A 1 A 2 .

На фиг. 2 изображены 1 - лазерный лист, 2 - направление излучения, 4 - обтекаемое тело, 6 - светочувствительная матрица фотоприемника: изображение объекта, 7 - линза фотоприемника. Весь путь от точки A до точки S определяется выражением AS = ( x x M ) 2 + ( y y M ) 2 + Z 2

Figure 00000007
, где Z - расстояние от плоскости лазерного листа до фотоприемника. Концентрация частиц при интегрировании вдоль пути s определяется следующим выражением n(s)=n(ξ (s), η(s), ζ(s)). Входящие в него величины находятся из геометрии фиг. 1: ξ(s)=s sinεcosφ, η(s)=ssinεsinφ, ζ(s)=scosε. Из геометрии (Фиг. 1) также находим входящие в них углы: t g ε = x 2 + y 2 / Z
Figure 00000008
, tgψ=y/x.In FIG. 2 shows 1 — laser sheet, 2 — direction of radiation, 4 — streamlined body, 6 — photosensitive photodetector matrix: image of an object, 7 — photodetector lens. The entire path from point A to point S is determined by the expression As = ( x - x M ) 2 + ( y - y M ) 2 + Z 2
Figure 00000007
where Z is the distance from the plane of the laser sheet to the photodetector. The concentration of particles during integration along the path s is determined by the following expression n (s) = n (ξ (s), η (s), ζ (s)). The values included in it are found from the geometry of FIG. 1: ξ (s) = s sinεcosφ, η (s) = ssinεsinφ, ζ (s) = scosε. From the geometry (Fig. 1) we also find the angles included in them: t g ε = x 2 + y 2 / Z
Figure 00000008
, tgψ = y / x.

На Фиг. 3 и Фиг. 4 изображены схемы (фиг. 3 - вид сбоку и фиг. 4 - вид спереди) устройства для построения лазерного листа. Устройство для построения лазерного листа 1 постоянной ширины состоит из цилиндрической линзы (постоянного радиуса кривизны r) 8, большой собирающей линзы с переменным радиусом кривизны 9, диафрагмы 10, щели 11. Пучок лазерного излучения 12, пройдя сквозь описанную выше оптическую систему, преобразуется в плоскопараллельный поток лучей 13 (имеющий элипсообразную форму в своем сечении), который после обрезания диафрагмой преобразуется в тонкий лазерный лист постоянной ширины.In FIG. 3 and FIG. 4 shows diagrams (Fig. 3 is a side view and Fig. 4 is a front view) of a device for constructing a laser sheet. A device for constructing a laser sheet 1 of constant width consists of a cylindrical lens (constant radius of curvature r) 8, a large collecting lens with a variable radius of curvature 9, aperture 10, slit 11. The beam of laser radiation 12, passing through the optical system described above, is converted into plane-parallel a beam of rays 13 (having an elliptical shape in its cross section), which, after cutting with a diaphragm, is converted into a thin laser sheet of constant width.

Запишем известный закон Снеллиуса для преломления лучей света, прошедших сквозь линзы (см. фиг. 3):We write the well-known Snell law for the refraction of light rays passing through the lenses (see Fig. 3):

Figure 00000009
Figure 00000009

Здесь nλ и mλ - показатели преломления материалов, из которых сделаны первая и вторая линзы соответственно. Максимальные значения углов α и β определяются диаметром входного лазерного луча d: и радиусом кривизны r первой (цилиндрической) линзы:Here n λ and m λ are the refractive indices of the materials of which the first and second lenses are made, respectively. The maximum values of the angles α and β are determined by the diameter of the input laser beam d: and the radius of curvature r of the first (cylindrical) lens:

Figure 00000010
Figure 00000011
Figure 00000010
Figure 00000011

На фиг. 5 показаны зависимости значений максимального угла β при различных значениях показателя преломления оптического стекла цилиндрической линзы.In FIG. Figure 5 shows the dependences of the maximum angle β for various values of the refractive index of the optical glass of a cylindrical lens.

Пройдя сквозь цилиндрическую вогнутую линзу 8 (см. фиг. 3), пучок лазерного излучения преобразуется в расходящуюся световую плоскость. Эта расходящаяся плоскость (веер) преобразуется в плоскопараллельный лазерный лист после прохождения сквозь большую собирающую линзу 9 переменного радиуса кривизны.After passing through a cylindrical concave lens 8 (see Fig. 3), the laser beam is converted into a diverging light plane. This diverging plane (fan) is converted into a plane-parallel laser sheet after passing through a large collecting lens 9 of variable radius of curvature.

Figure 00000012
Figure 00000012

O2D+FD-O1F=O2D+FD-[O1B+FB]=O1O2=L, где L - расстояние между центрами кривизны цилиндрической и большой собирающей линз,O 2 D + FD-O 1 F = O 2 D + FD- [O 1 B + FB] = O 1 O 2 = L, where L is the distance between the centers of curvature of the cylindrical and large collecting lenses,

илиor

Figure 00000013
Figure 00000013

Здесь углы α и β зависят от угла γ:Here the angles α and β depend on the angle γ:

Figure 00000014
Figure 00000014

Величину L находим исходя из диаметра входного пучка d и ширины лазерного листа D:The value of L is found based on the diameter of the input beam d and the width of the laser sheet D:

Figure 00000015
Figure 00000015

Figure 00000016
Figure 00000017
Figure 00000018
Figure 00000019
Figure 00000016
Figure 00000017
Figure 00000018
Figure 00000019

ИлиOr

Figure 00000020
Figure 00000020

Таким образом, L зависит только от показателей преломления линз nλ и mλ.Thus, L depends only on the refractive indices of the lenses n λ and m λ .

На фиг. 6 показана зависимость значений длины L от показателей преломления оптических стекол, из которых изготовлены линзы.In FIG. Figure 6 shows the dependence of the lengths L on the refractive indices of the optical glasses of which the lenses are made.

А радиус кривизны выражается следующей формулой:And the radius of curvature is expressed by the following formula:

Figure 00000021
Figure 00000021

Здесь nλ - показатель преломления материала, из которого изготовлены линзы, R(γ) - радиус кривизны линзы; L - расстояние между центрами кривизны линз.Here n λ is the refractive index of the material from which the lenses are made, R (γ) is the radius of curvature of the lens; L is the distance between the centers of curvature of the lenses.

На фиг. 7 приведена зависимость радиуса R(γ) кривизны большой собирающей линзы при различных значениях показателя преломления материала, из которого изготовлены линзы: nλ=1.1-2.0.In FIG. Figure 7 shows the dependence of the radius R (γ) of the curvature of a large collecting lens for various values of the refractive index of the material from which the lenses are made: n λ = 1.1-2.0.

Поток параллельных лучей, полученный при прохождении света через большую собирающую линзу 9, имеет вид эллипса 13 в плоском сечении (фиг. 3, 4). Для создания плоского лазерного листа 1 (фиг. 3) этот эллипс нужно «обрезать» пропустив его через диафрагму 10 (фиг. 3, 4) со щелью 11 (фиг. 3, 4). Меняя ширину щели 11, подбирают оптимальную толщину плоскости лазерного листа для эффективного оптического зондирования многофазных потоков.The stream of parallel rays obtained by the passage of light through a large collecting lens 9 has the form of an ellipse 13 in a flat section (Fig. 3, 4). To create a flat laser sheet 1 (Fig. 3), this ellipse must be “cut off” by passing it through the diaphragm 10 (Fig. 3, 4) with a slit 11 (Fig. 3, 4). By varying the width of the slit 11, the optimal thickness of the plane of the laser sheet is selected for effective optical sensing of multiphase flows.

На фиг. 8 показана визуализация методом лазерного листа газопылевого и суспензионного потоков.In FIG. Figure 8 shows laser-dust visualization of gas-dust and suspension flows.

Опишем метод обработки изображения. Положим Ie - поле интенсивности излучения на фотоснимке, который получен при фотографировании плоскости лазерного листа, зондирующего обтекание тела аэрозольным потоком (фиг. 1). Разобьем фотоснимок - расчетную область на Nx и Ny ячеек вдоль осей x и y соответственно. Пусть i, j - номера ячеек вдоль координатных осей x и y соответственно (i ∈ [1, Nx+1], j ∈ [1, Ny+1]), a Ie(i, j) - значение интенсивности излучения в ячейке с номерами i, j. Требуется найти пространственное распределение концентрации частиц вблизи затупленного тела при помощи описанного выше фотоснимка: решить обратную задачу. Существуют методы решения таких задач (Тихонов А.Н., Арсенин В.Я. Методы решения некорректных задач // М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит. - 1986. - 288 с.; Алифанов О.М. Обратные задачи теплообмена // М.: Машиностроение. - 1988. - 280 с.; Бек Дж., Блэкуэлл Б., Сент-Клэр Ч. Некорректные обратные задачи // М.: Мир. - 1989. - 312 с.), основанные, главным образом, на использовании дополнительной априорной информации и последовательном (итерационном) приближении к решению.We describe the image processing method. Let I e be the radiation intensity field in the photograph, which was obtained by photographing the plane of the laser sheet probing the aerosol flow around the body (Fig. 1). We divide the photograph — the computational domain into Nx and Ny cells along the x and y axes, respectively. Let i, j be the cell numbers along the x and y coordinate axes, respectively (i ∈ [1, N x +1], j ∈ [1, N y +1]), and I e (i, j) be the radiation intensity in the cell with numbers i, j. It is required to find the spatial distribution of particle concentration near a blunt body using the photograph described above: solve the inverse problem. There are methods for solving such problems (Tikhonov A.N., Arsenin V.Ya. Methods for solving ill-posed problems // M .: Nauka. Gl. Ed. Phys.-Math. Lite. - 1986. - 288 p .; Alifanov O. M. Inverse heat transfer problems // M .: Mechanical Engineering. - 1988. - 280 s .; Beck J., Blackwell B., St. Claire C. Incorrect Inverse Problems // M .: Mir. - 1989. - 312 p. ), based mainly on the use of additional a priori information and a sequential (iterative) approximation to the solution.

Основные принципы разработанного способа обработки изображения состоят в том, чтоThe basic principles of the developed image processing method are that

1. компьютерную обработку изображения производят вдоль пути распространения энергии зондирующего излучения на фотоснимке;1. computer processing of the image is carried out along the path of propagation of the energy of the probe radiation in the photograph;

2. используют информацию о симметрии распределения частиц относительно оси х двухфазного потока при осесимметричном обтекании им затупленного тела;2. use information on the symmetry of the distribution of particles relative to the x axis of the two-phase flow during axisymmetric flow around a blunt body;

3. используют метод последовательных приближений, при этом итерационный алгоритм обеспечивает ничтожно малую погрешность обработки изображения.3. use the method of successive approximations, while the iterative algorithm provides a negligible error in image processing.

На фиг. 9 изображена схема использования информации при обработке изображения лазерного листа, где плоскость лазерного листа 1, направление падающего излучения 2, направление сканирования при обработке изображения 3, направление излучения, попадающего в фотоприемник 4, линии равных значений концентрации дисперсной фазы 5, линза фотоприемника 6, светочувствительная матрица: изображение объекта 7. Опишем численный метод решения обратной задачи, подставив (1) в (2) и записав (2) в следующем виде:In FIG. 9 is a diagram of using information in processing an image of a laser sheet, where the plane of the laser sheet 1, the direction of incident radiation 2, the direction of scanning when processing the image 3, the direction of radiation entering the photodetector 4, lines of equal concentration of the dispersed phase 5, the photodetector lens 6, photosensitive matrix: image of an object 7. We describe a numerical method for solving the inverse problem by substituting (1) in (2) and writing (2) in the following form:

Figure 00000022
Figure 00000022

Здесь β=πa 2Qext - ослабление (экстинкция) излучения, коэффициент α связывает интенсивность излучения на снимке Ie с концентрацией дисперсной фазы n в потоке при оптическом зондировании аэрозольного потока.Here β = π a 2 Q ext is the attenuation (extinction) of the radiation, the coefficient α relates the radiation intensity in the image I e with the concentration of the dispersed phase n in the stream during optical sounding of the aerosol stream.

В верхней области лазерного листа энергия света не ослабла в результате рассеивания вдоль оси y (фиг. 9), т.к.

Figure 00000023
In the upper region of the laser sheet, the light energy did not weaken as a result of scattering along the y axis (Fig. 9), because
Figure 00000023

и концентрация частиц равна

Figure 00000024
или
Figure 00000025
Поэтому целесообразно обрабатывать фотоснимок (сканировать) сверху вниз: в направлении зондирующего излучения для получения распределения концентрации дисперсной фазы. Ниже на малую величину Δy (шаг разбиения области по вертикали) концентрация частиц в первом приближении (первой итерации) равнаand the particle concentration is
Figure 00000024
or
Figure 00000025
Therefore, it is advisable to process the photograph (scan) from top to bottom: in the direction of the probe radiation to obtain the distribution of the concentration of the dispersed phase. Below by a small value Δy (step of dividing the region vertically), the concentration of particles in a first approximation (first iteration) is

Figure 00000026
Figure 00000026

или

Figure 00000027
or
Figure 00000027

Это значение меньше того значения концентрации частиц, которое требуется получить и которое впоследствии будет найдено методом последовательных приближений: методом итераций. Множитель 1 2

Figure 00000028
нужен для того, чтобы найденное в первом приближении значение концентрации частиц не превосходило искомого значения концентрации частиц, которое требуется найти. Отладка алгоритма показала, что в противном случае решение не будет сходиться с ростом числа приближений. Во втором приближении (итерации) концентрация частиц вычисляется, используя значение концентрации частиц в данной ячейке в первом приближении n ( i ,2 ) 1
Figure 00000029
. При этом ослабление излучения между первой и второй ячейкой равно произведению β на шаг разбиения расчетной области по вертикали Δy и на среднее значение концентрации частиц между этими ячейками. Концентрация частиц во втором приближении равнаThis value is less than the particle concentration value that needs to be obtained and which will subsequently be found by the method of successive approximations: the iteration method. Factor one 2
Figure 00000028
needed so that the particle concentration value found in the first approximation does not exceed the desired particle concentration value that needs to be found. Debugging the algorithm showed that otherwise the solution will not converge with an increase in the number of approximations. In the second approximation (iteration), the particle concentration is calculated using the particle concentration in this cell in the first approximation n ( i , 2 ) one
Figure 00000029
. In this case, the attenuation of radiation between the first and second cells is equal to the product β by the step of dividing the computational domain vertically Δy and the average particle concentration between these cells. The particle concentration in the second approximation is equal to

Figure 00000030
Figure 00000030

Далее процесс можно повторять много раз для обеспечения требуемой точности:Further, the process can be repeated many times to ensure the required accuracy:

Figure 00000031
Figure 00000031

Устремляя число итераций p→∞, получаем значение концентрации дисперсной фазы n в ячейке (i, 2) с точностью до численной аппроксимации. Опыт предшественников (Тихонов А.Н., Арсенин В.Я. Методы решения некорректных задач // М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит. - 1986. - 288 с.; Алифанов О.М. Обратные задачи теплообмена // М.: Машиностроение. - 1988. - 280 с.) свидетельствует об эффективности итерационных методов решения обратных задач. Продолжая действовать аналогичным образом, находят значение концентрации дисперсной фазы в третьей ячейке по вертикали, заметив при этом, что нумерация ячеек отсчитывается от места попадания излучения в расчетную область, т.е. сверху вниз:Striving for the number of iterations p → ∞, we obtain the value of the concentration of the dispersed phase n in cell (i, 2) up to a numerical approximation. The experience of predecessors (Tikhonov A.N., Arsenin V.Ya. Methods for solving ill-posed problems // M .: Nauka. Gl. Ed. Phys.-Math. Lit. - 1986. - 288 p .; Alifanov OM heat transfer problems // M .: Mechanical Engineering. - 1988. - 280 p.) indicates the effectiveness of iterative methods for solving inverse problems. Continuing to act in a similar way, they find the value of the concentration of the dispersed phase in the third cell vertically, while noting that the numbering of the cells is counted from the place where the radiation enters the calculation region, i.e. top down:

Figure 00000032
в первом приближении,
Figure 00000032
as a first approximation

Figure 00000033
- во втором и последующих приближениях.
Figure 00000033
- in the second and subsequent approximations.

Проводя сканирование по направлению распространения излучения s аналогичным образом, уловив закономерность, находят значения концентрации дисперсной фазы в остальных js=Ny +1-j ячейках:Carrying out a scan in the direction of radiation propagation s in a similar way, having caught the pattern, the values of the concentration of the dispersed phase in the remaining j s = N y + 1-j cells are found:

Figure 00000034
в первом приближении,
Figure 00000034
as a first approximation

Figure 00000035
- во втором и последующих приближениях.
Figure 00000035
- in the second and subsequent approximations.

Учитывая ослабление интенсивности излучения на пути от плоскости лазерного листа до фотоприемника для решения обратной оптической задачи нахождения пространственного распределения дисперсной фазы по интенсивности зондирующего излучения помимо сканирования вдоль распространения излучения и метода последовательных приближений используют априорную информацию о симметрии относительно оси потока x распределения концентрации дисперсной фазы.Taking into account the attenuation of the radiation intensity along the path from the plane of the laser sheet to the photodetector, in addition to scanning along the radiation propagation and the method of successive approximations, a priori information on symmetry about the flow axis x of the dispersion phase concentration distribution is used to solve the inverse optical problem of finding the spatial distribution of the dispersed phase by the intensity of the radiation.

В верхней области лазерного листа интенсивность излучения не ослабла в результате рассеяния как вдоль оси y, так и вдоль оси z (см. фиг. 9), т.к. оптические пути (вдоль y и z), пройденные излучением, равны нулю

Figure 00000036
In the upper region of the laser sheet, the radiation intensity did not weaken as a result of scattering both along the y axis and along the z axis (see Fig. 9), because optical paths (along y and z) traveled by radiation are zero
Figure 00000036

Интеграл вдоль оси z равен нулю, т.к. при расстоянии от оси x, большем значения H, дисперсная фаза отсутствует (см. фиг. 9). Поэтому концентрация частиц в верхней ячейке расчетной области равна

Figure 00000037
или
Figure 00000038
В следующей ячейке, ниже на малую величину Δy концентрация частиц в первом приближении (первой итерации) равнаThe integral along the z axis is zero, because when the distance from the x axis is greater than the value of H, the dispersed phase is absent (see Fig. 9). Therefore, the concentration of particles in the upper cell of the computational domain is
Figure 00000037
or
Figure 00000038
In the next cell, lower by a small Δy value, the concentration of particles in the first approximation (first iteration) is

Figure 00000039
Figure 00000039

Где Δ12 - первая и единственная (см. фиг. 4) ячейка вдоль оси z, которая соответствует второй ячейке сканирования

Figure 00000040
Where Δ 12 is the first and only (see Fig. 4) cell along the z axis, which corresponds to the second scanning cell
Figure 00000040

Здесь

Figure 00000041
Here
Figure 00000041

Полученное значение концентрации частиц в этой ячейке меньше того значения концентрации частиц, которое требуется получить и которое впоследствии находят методом последовательных приближений: методом итераций. Множитель 1 2

Figure 00000042
нужен для того, чтобы найденное в первом приближении значение концентрации частиц не превосходило значение концентрации частиц, которое требуется найти. Отладка алгоритма показала, что в противном случае решение не будет сходиться с ростом числа приближений. Во втором приближении (итерации) концентрацию частиц вычисляют, при этом используют значение концентрации частиц в этой ячейке в первом приближении n ( i ,2 ) 1
Figure 00000043
. При этом ослабление излучения по вертикали равно произведению β на шаг разбиения расчетной области по вертикали Δy и на среднее значение концентрации частиц между этими ячейками, а ослабление на пути z равно произведению β на шаг разбиения расчетной области вдоль z Δ12 и на среднее значение концентрации частиц между этими ячейками. Концентрация частиц во втором приближении равнаThe obtained particle concentration value in this cell is less than the particle concentration value that is required to be obtained and which is subsequently found by the method of successive approximations: iteration method. Factor one 2
Figure 00000042
needed so that the particle concentration value found in the first approximation does not exceed the particle concentration value that you want to find. Debugging the algorithm showed that otherwise the solution will not converge with an increase in the number of approximations. In the second approximation (iteration), the concentration of particles is calculated, while using the value of the concentration of particles in this cell in the first approximation n ( i , 2 ) one
Figure 00000043
. In this case, the vertical attenuation of radiation is equal to the product β by the vertical step of dividing the computational domain Δy and the average particle concentration between these cells, and the attenuation along the path z is the product of β by the step of dividing the computational domain along z Δ 12 and the average particle concentration between these cells. The particle concentration in the second approximation is equal to

Figure 00000044
Figure 00000044

Далее процесс можно повторять много раз для обеспечения требуемой точности:Further, the process can be repeated many times to ensure the required accuracy:

Figure 00000045
Figure 00000045

Устремляя число итераций p→∞ получают значение концентрации дисперсной фазы n в ячейке (i, 2) с точностью до численной аппроксимации. Продолжая действовать аналогичным образом, находят значение концентрации дисперсной фазы в третьей ячейке по вертикали:By striving for the number of iterations p → ∞, we obtain the value of the concentration of the dispersed phase n in cell (i, 2) up to a numerical approximation. Continuing to act in a similar way, they find the value of the concentration of the dispersed phase in the third cell vertically:

Figure 00000046
- в первом приближении,
Figure 00000046
- as a first approximation,

Figure 00000047
- во втором и последующих приближениях.
Figure 00000047
- in the second and subsequent approximations.

Здесь Δ j s ,k = ( tanα j s k 1 tanα j s k ) y j s

Figure 00000048
- величина ячейки ВС (фиг. 9), y j s = H ( j s 1 ) Δy
Figure 00000049
,
Figure 00000050
Here Δ j s , k = ( tanα j s k - one - tanα j s k ) y j s
Figure 00000048
- the value of the cell BC (Fig. 9), y j s = H - ( j s - one ) Δy
Figure 00000049
,
Figure 00000050

Таким образом, величина произвольной ячейки ВС равна ( H ( j 1 ) Δ y ) Δ j s , k

Figure 00000051
. Проводят сканирование по направлению распространения излучения s и используют информацию о симметрии относительно оси x, аналогичным образом, уловив закономерность, находят значения концентрации дисперсной фазы в остальных js=Ny+1-j ячейках:Thus, the value of an arbitrary cell BC is ( H - ( j - one ) Δ y ) Δ j s , k
Figure 00000051
. A scan is carried out in the direction of propagation of radiation s and information on symmetry about the x axis is used, likewise, having caught the pattern, the concentration of the dispersed phase in the remaining j s = N y + 1-j cells is found:

Figure 00000052
Figure 00000052

в первом приближении,as a first approximation

Figure 00000053
Figure 00000053

во втором и последующих приближениях.in the second and subsequent approximations.

Отладка алгоритма показала, что итерационный процесс сходится (максимальная ошибка менее 0.0001%) не более чем за 10 итераций в диапазоне параметров, соответствующем выполнению закона Бугера. В противном случае, итерационный процесс может привести к бесконечно большой ошибке. При значительном ослаблении излучения

Figure 00000054
где
Figure 00000055
характерная длина пробега излучения
Figure 00000056
- толщина сжатого слоя вблизи обтекаемой сферы) метод может дать значительную ошибку, т.к. известный экспоненциальный закон ослабления Бугера-Ламберта-Бера не выполняется.The debugging of the algorithm showed that the iterative process converges (the maximum error is less than 0.0001%) in no more than 10 iterations in the parameter range corresponding to the fulfillment of Bouguer's law. Otherwise, the iterative process can lead to an infinitely large error. With significant attenuation of radiation
Figure 00000054
Where
Figure 00000055
characteristic mean free path
Figure 00000056
- the thickness of the compressed layer near the streamlined sphere) the method can give a significant error, because the well-known exponential attenuation law of the Bouguer-Lambert-Beer does not hold.

Таким образом, обратная оптическая задача восстановления распределения концентрации частиц в аэродисперсном потоке по интенсивности рассеянного частицами зондирующего излучения решена.Thus, the inverse optical problem of reconstructing the distribution of the concentration of particles in the aerodispersed stream by the intensity of the probe radiation scattered by the particles has been solved.

Покажем иллюстративно работу алгоритма в численном эксперименте.Let us illustrate the operation of the algorithm in a numerical experiment.

На фиг. 10 показана проверка способа обработки изображения: 1 - распределение концентрации частиц ( n ( x = 1.25 R , y 2 + z 2 ) )

Figure 00000057
(нормированных на концентрацию частиц n0 у точки торможения), 2 - зарегистрированный фотоприемником оптический сигнал IeМ, yM), 3 - распределение концентрации частиц, полученное в результате обработки «изображения» 2, 4 - ослабление зондирующего излучения в плоскости лазерного листа, 5 - ослабленное зондирующее излучение на пути от листа до фотоприемника. В результате численного эксперимента, в котором по полю интенсивности излучения на «фотоснимке» (полученному в результате решения прямой задачи (фиг. 10, кривая 2): расчет интенсивности излучения 1е на фотоснимке по заданному распределению концентрации частиц n (фиг. 10, кривая 1), которое качественно описывает поведение дисперсной примеси в экспериментах. (Василевский Э.Б., Безменов В.Я., Боровой В.Я., Горелов В.А., Жилин Ю.В., Казанский Р.А., Мошаров В.Е., Чирихин А.В., Яковлева Л.В. Экспериментальное исследование течения, теплообмена и электрооптических явлений при обтекании тел сверхзвуковым аэродисперсным потоком. // «ЦАГИ - основные этапы научной деятельности 1993-2003» - М.: Физматлит, - 2003. - С. 452-457), в котором методом лазерного листа определялось поле концентрации частиц (фиг. 10, кривая 3) с помощью описанного выше метода и сравнивалось с заданным распределением (фиг. 10, кривая 1). Проведенный расчет (фиг. 10) и отладка описанного выше алгоритма свидетельствуют о ничтожности относительной погрешности определения распределения концентрации дисперсной фазы в аэродисперсном потоке по интенсивности рассеянного ими зондирующего излучения; тем не менее, результат существенно зависит от мелкости разбиения расчетной области: числа ячеек. При сканировании в направлении распространения излучения s необходимым условием сходимости решения обратной задачи является подбор шага разбиения расчетной области таким образом, что
Figure 00000058
при монотонном возрастании пройденного светом пути s(i, j+1)>s(i, j) в плоскости лазерного листа.In FIG. 10 shows the verification of the image processing method: 1 - distribution of particle concentration ( n ( x = 1.25 R , y 2 + z 2 ) )
Figure 00000057
(normalized to the particle concentration n 0 at the stagnation point), 2 — optical signal recorded by the photodetector I e (x M , y M ), 3 — distribution of particle concentration obtained as a result of processing the “image” 2, 4 — attenuation of probe radiation in the plane laser sheet, 5 - attenuated probing radiation on the way from the sheet to the photodetector. As a result of a numerical experiment in which, according to the field of radiation intensity in the “photograph” (obtained as a result of solving the direct problem (Fig. 10, curve 2): calculation of the radiation intensity 1e in the photograph from the given distribution of particle concentration n (Fig. 10, curve 1 ), which qualitatively describes the behavior of dispersed impurities in experiments. (Vasilevsky E.B., Bezmenov V.Ya., Borovoy V.Ya., Gorelov V.A., Zhilin Yu.V., Kazansky R.A., Mosharov V .E., Chirikhin A.V., Yakovleva L.V. Experimental study of the flow, heat transfer, and electro-optical phenomena during the flow around bodies with a supersonic aerodispersed stream. // “TsAGI - the main stages of scientific activity 1993-2003” - M .: Fizmatlit, 2003. - P. 452-457), in which the particle concentration field was determined by the laser sheet method (Fig. 10, curve 3) using the method described above and was compared with a given distribution (Fig. 10, curve 1). The calculation (Fig. 10) and debugging of the above algorithm indicate that the relative error in determining the distribution of the concentration of the dispersed phase in the aerodispersed stream is insignificant by intensive the scattered sound of the probe radiation; Nevertheless, the result substantially depends on the fineness of the partition of the computational domain: the number of cells. When scanning in the direction of radiation propagation s, a necessary condition for the convergence of the solution of the inverse problem is the selection of the step for dividing the computational domain in such a way that
Figure 00000058
with a monotonic increase in the path traveled by light s (i, j + 1)> s (i, j) in the plane of the laser sheet.

Калибровку измерительной системы осуществляют путем сопоставления яркости рассеянного излучения на фотоснимке лазерного листа и измеренной концентрации дисперсной фазы весовым нефелометром. На фиг. 11 представлена схема количественного определения пространственного распределения концентрации частиц в аэрозольном потоке. 2 - направление распространения зондирующего излучения, 3 - направление аэрозольного потока, 4 - обтекаемое тело, 17 - сопло, 18 - контрольные объемы, в которых измеряют распределение частиц по размерам в аэрозольном потоке, 19 - построитель лазерного листа постоянной толщины, 20 - область потока, предназначенная для калибровки измерительного комплекса, 21 - весовой нефелометр с датчиком скорости потока. В верхней части оптически зондируемой области 20 (там, где лучистая энергия меньше всего ослабла в результате ее поглощения и рассеивания частицами) устанавливается весовой нефелометр 21 с датчиком расхода потока. Частицы ловятся в нефелометр и взвешиваются. Зная площадь входного сечения нефелометра, расход потока и массу попадающих в него частиц в единицу времени, измеряют концентрацию частиц в абсолютных единицах. Этой концентрации соответствует яркость области 20 на фотоснимке лазерного листа, зондирующего обтекание тела аэрозольным потоком. Коэффициент ослабления зависит только от материала частицы, ее радиуса а и длины волны излучения λ: β=πa 2Qext(a, λ). Calibration of the measuring system is carried out by comparing the brightness of the scattered radiation in a photograph of a laser sheet and the measured concentration of the dispersed phase by a weight nephelometer. In FIG. 11 is a diagram for quantitatively determining the spatial distribution of particle concentration in an aerosol stream. 2 - the direction of propagation of the probe radiation, 3 - the direction of the aerosol stream, 4 - the streamlined body, 17 - the nozzle, 18 - control volumes in which the particle size distribution in the aerosol stream is measured, 19 - builder of a laser sheet of constant thickness, 20 - flow area designed for calibration of the measuring complex, 21 - weight nephelometer with flow rate sensor. A weight nephelometer 21 with a flow rate sensor is installed in the upper part of the optically probed region 20 (where the radiant energy is least weakened as a result of its absorption and dispersion by particles). Particles are caught in a nephelometer and weighed. Knowing the area of the inlet section of the nephelometer, the flow rate and the mass of particles falling into it per unit time, measure the concentration of particles in absolute units. This concentration corresponds to the brightness of region 20 in a photograph of a laser sheet probing aerosol flow around a body. The attenuation coefficient depends only on the particle material, its radius a and the radiation wavelength λ: β = π a 2 Q ext ( a , λ).

Распределение частиц по размерам находим с помощью ореольного нефелометра (Лагунов А.С., Байвель Л.П., Гусев Б.А. Определение дисперсного состава аэрозолей методом рассеяния света под малыми углами // Журнал прикладной спектроскопии. - Том XI. - Вып. 1. - 1969. - С. 98-103.; Рудаков В.П., Стасенко А.Л., Флаксман Я.Ш. Определение массового спектра частиц в газодисперсном потоке методом малоуглового рассеяния // Ученые записки ЦАГИ. - Т. XXIV. - №2. - 1993. - С. 114-122. Горчаков Г.И., Токарев О.Д. Оценка микроструктуры аэрозоля по данным измерений ореольных индикатрис рассеяния света // Сб. Атмосферная радиация и фотометрия. - Томск. - 1988. - С. 22-25; Любовцева Ю.С. Статистические характеристики светового ореола в тумане // Изв. АН СССР. - Физика атмосферы и океана. - 1971, т. 7. - №4. - С. 465-467; Голиков В.И. Прибор для измерения микроструктуры облаков и туманов методом малых углов // Труды Главной геофизической обсерватории им. А.И. Воейкова. Л.: 1964. - Вып. 152. - С. 142-159), основанного на известном методе малоуглового рассеивания (по индикатрисе рассеивания), определяется распределение частиц и капель по их размерам. Или с помощью известного метода PDPA (particle Doppler Phase Analyser), основанного на известных физических эффектах интерференции и Допплера ((см., напр., С.М. Sipperley and W.D. Bachalo Triple Interval Phase Doppler Interferometry: Improved Dense Sprays Measurements and Enhanced Phase Discrimination ILASS Americas, 25th Annual Conference on Liquid Atomization and Spray Systems, Pittsburgh, PA, May 2013).We find the particle size distribution using a halo nephelometer (Lagunov A.S., Bayvel L.P., Gusev B.A. Determination of the dispersed composition of aerosols by light scattering at small angles // Journal of Applied Spectroscopy. - Volume XI. - Issue. 1. - 1969. - S. 98-103 .; Rudakov V.P., Stasenko A.L., Flaksman Y.Sh. Determination of the mass spectrum of particles in a gas-dispersed stream by the method of small-angle scattering // Scientific notes of TsAGI .-- T. XXIV . - No. 2. - 1993. - pp. 114-122. Gorchakov GI, Tokarev OD Evaluation of the aerosol microstructure according to measurements of aureole indicatrixes of scattering light // Sat. Atmospheric radiation and photometry. - Tomsk. - 1988. - P. 22-25; Lyubovtseva Yu.S. Statistical characteristics of a light halo in fog // Izv. AN SSSR. - Atmospheric and Ocean Physics. - 1971 , T. 7. - No. 4. - P. 465-467; Golikov V.I. Instrument for measuring the microstructure of clouds and fogs by the method of small angles // Proceedings of the Main Geophysical Observatory named after A.I. Voeikov.L .: 1964. - Issue 152. - P. 142-159), based on the well-known method of small-angle scattering (according to the scattering indicatrix), the distribution of particles and droplets by their size is determined. Or using the well-known PDPA method (particle Doppler Phase Analyzer) based on the known physical effects of interference and Doppler ((see, e.g., S.M. Sipperley and WD Bachalo Triple Interval Phase Doppler Interferometry: Improved Dense Sprays Measurements and Enhanced Phase Discrimination ILASS Americas, 25th Annual Conference on Liquid Atomization and Spray Systems, Pittsburgh, PA, May 2013).

Коэффициенты рассеивания, ослабления и поглощения, соответственно, находят из известных формул Густава Ми (Mie G. Beiträge zur Optik Medien speziell kolloidaler Metallösungen. - Ann. Phys. 25. - P. 377-445. - 1908) в зависимости от физических свойств материала частиц аэрозоля и дифракционного параметра x=2πa/λ, зависящего от радиуса частицы а и длины волны λ зондирующего излучения.The scattering, attenuation and absorption coefficients, respectively, are found from the well-known Gustav Mi formulas (Mie G. Beiträge zur Optik Medien speziell kolloidaler Metallösungen. - Ann. Phys. 25. - P. 377-445. - 1908) depending on the physical properties of the material aerosol particles and the diffraction parameter x = 2π a / λ, depending on the particle radius a and the wavelength λ of the probe radiation.

Figure 00000059
Figure 00000059

Figure 00000060
Figure 00000060

Figure 00000061
Figure 00000061

Здесь i = 1

Figure 00000062
.Here i = - one
Figure 00000062
.

Figure 00000063
Figure 00000063

Зависимость индикатрис рассеянного частицами излучения от их размеров при заданном значении длины волны изображена на фиг. 12. Рассчитав светорассеивающие характеристик отдельных частиц с помощью изложенных выше формул Ми для коэффициентов рассеивания в уравнении (3) остается только одно неизвестное - нормировочный коэффициент α:The dependence of the indicatrices of the radiation scattered by the particles on their size at a given value of the wavelength is shown in FIG. 12. Having calculated the light-scattering characteristics of individual particles using the above Mie formulas for the scattering coefficients in equation (3), only one unknown remains - the normalization coefficient α:

Figure 00000064
Figure 00000064

Он находится путем описанной выше калибровки оптико-измерительной системы. Таким образом, возможно количественное определение концентрации частиц и капель в аэрозольном потоке в пространстве и времени.It is found by calibrating the optical measurement system described above. Thus, it is possible to quantify the concentration of particles and droplets in the aerosol stream in space and time.

Таким образом использование изобретения дает повышение точности определения пространственного распределения числовой концентрации частиц или капель в аэрозольном потоке, а также переход от относительных величин измерения к абсолютным значениям.Thus, the use of the invention provides an increase in the accuracy of determining the spatial distribution of the numerical concentration of particles or droplets in the aerosol stream, as well as a transition from relative measurement values to absolute values.

Линзы могут быть изготовлены на заводах оптического стекла. Большая линза переменного радиуса кривизны может быть изготовлена из параболической собирающей линзы или собирающей линзы постоянного радиуса кривизны путем шлифовки на токарном станке. Линзы и диафрагма на соответствующих держателях могут быть установлены на оптическую скамью. После преобразования пучка лазерного излучения в плоскопараллельную световую плоскость последнюю направляют на исследуемую область. С помощью цифрового аппарата регистрируют изображение рассеянного в плоскости лазерного листа излучения. Обработка изображения цифрового фотоснимка лазерного листа с использованием описанного выше алгоритма может быть реализована с помощью ЭВМ.Lenses can be manufactured in optical glass factories. A large lens with a variable radius of curvature can be made from a parabolic collecting lens or a collecting lens with a constant radius of curvature by grinding on a lathe. The lenses and aperture on the respective holders can be mounted on an optical bench. After converting the laser beam into a plane-parallel light plane, the latter is directed to the studied area. Using a digital apparatus, an image of the radiation scattered in the plane of the laser sheet is recorded. Image processing of a digital photograph of a laser sheet using the algorithm described above can be implemented using a computer.

Основные принципы описанного выше способа измерения полей числовой концентрации дисперсной фазы в аэрозольном потоке и устройство для его реализации могут быть развиты и использованы при исследовании поведения, визуализации и определении других (помимо числовой концентрации) параметров многофазных, гетерогенных потоков и сред.The basic principles of the method described above for measuring the fields of the numerical concentration of the dispersed phase in the aerosol stream and a device for its implementation can be developed and used to study the behavior, visualization and determination of other (in addition to the numerical concentration) parameters of multiphase, heterogeneous flows and media.

Claims (2)

1. Способ определения полей числовой концентрации дисперсной фазы в аэрозольном потоке, состоящий в том, что создают лазерный лист, по анализу интенсивности рассеянного частицами излучения в световой плоскости лазерного листа определяют поле концентрации дисперсной фазы, отличающийся тем, что создают лазерный лист, имеющий постоянную ширину, при обработке данных оптико-физического эксперимента учитывают ослабление зондирующего излучения в аэрозольной среде; обрабатывают изображение лазерного листа, зондирующего осесимметричное обтекание тел дисперсным потоком, вдоль пути распространения излучения, при этом используют дополнительную информацию о симметрии потока, используют метод последовательных приближений (итераций) для обеспечения сходимости к верному решению, проводят калибровку оптико-измерительной системы путем сопоставления яркости рассеянного излучения на фотоснимке лазерного листа и определенной числовой концентрации дисперсной фазы весовым методом.1. The method of determining the fields of the numerical concentration of the dispersed phase in the aerosol stream, which consists in creating a laser sheet, by analyzing the intensity of the radiation scattered by the particles in the light plane of the laser sheet, determining the concentration field of the dispersed phase, characterized in that they create a laser sheet having a constant width , when processing data from an optical-physical experiment, the attenuation of probe radiation in an aerosol medium is taken into account; they process an image of a laser sheet probing an axisymmetric dispersed stream around bodies along the radiation propagation path, using additional information about the symmetry of the stream, using the method of successive approximations (iterations) to ensure convergence to the correct solution, calibrating the optical measuring system by comparing the brightness of the scattered light radiation on a photograph of a laser sheet and a certain numerical concentration of the dispersed phase by the gravimetric method. 2. Устройство для построения лазерного листа, содержащее источник лазерного излучения, цилиндрическую линзу, фотоприемник и цифровую аппаратуру обработки изображения лазерного листа, отличающееся тем, что дополнительно содержит большую собирающую линзу переменного радиуса кривизны, расположенную за цилиндрической линзой, и диафрагму, расположенную за большой собирающей линзой для создания лазерного листа, имеющего постоянную ширину. 2. Device for constructing a laser sheet containing a laser source, a cylindrical lens, a photodetector and digital image processing equipment for a laser sheet, characterized in that it further comprises a large collecting lens of variable radius of curvature located behind the cylindrical lens, and a diaphragm located behind the large collecting a lens to create a laser sheet having a constant width.
RU2014119714/28A 2014-05-16 2014-05-16 Determination of fields of numerical concentration of disperse phase in aerosol flow and device to this end RU2562153C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014119714/28A RU2562153C1 (en) 2014-05-16 2014-05-16 Determination of fields of numerical concentration of disperse phase in aerosol flow and device to this end

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014119714/28A RU2562153C1 (en) 2014-05-16 2014-05-16 Determination of fields of numerical concentration of disperse phase in aerosol flow and device to this end

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2562153C1 true RU2562153C1 (en) 2015-09-10

Family

ID=54073537

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014119714/28A RU2562153C1 (en) 2014-05-16 2014-05-16 Determination of fields of numerical concentration of disperse phase in aerosol flow and device to this end

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2562153C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2753961C1 (en) * 2020-12-18 2021-08-24 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук Method for determining circumferential profile of relative concentration of liquid phase in sprayed dispersed medium using planar laser-induced fluorescence
RU2792284C1 (en) * 2021-11-18 2023-03-21 Федеральное автономное учреждение "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" (ФАУ "ЦАГИ") Device for determining the heterogeneity of two-phase flows

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1291847A1 (en) * 1984-04-20 1987-02-23 Днепропетровский горный институт им.Артема Device for measuring concentration of aerosol disperse phase
RU96251U1 (en) * 2010-03-23 2010-07-20 Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) DEVICE FOR DETERMINING CHARACTERISTICS OF A DISPERSED PHASE IN GAS-DYNAMIC FLOWS

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1291847A1 (en) * 1984-04-20 1987-02-23 Днепропетровский горный институт им.Артема Device for measuring concentration of aerosol disperse phase
RU96251U1 (en) * 2010-03-23 2010-07-20 Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) DEVICE FOR DETERMINING CHARACTERISTICS OF A DISPERSED PHASE IN GAS-DYNAMIC FLOWS

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Василевский Э.Б., Безменов В.Я., Боровой В.Я., Горелов В.А., Жилин Ю.В., Казанский Р.А, Мошаров В.Е., Чирихин А.В., Яковлева Л.В. Экспериментальное исследование течения, теплообмена и электрооптических явлений при обтекании тел сверхзвуковым аэродисперсным потоком. // ЦАГИ - основные этапы научной деятельности 1993-2003; - М.: - Физматлит, - 2003. - С. 452-457. William D. Bachalo, Chad Sipperley, and Gregory Payne Aircraft Icing Research: Challenges in Cloud Simulation and Characterization ILASS Americas, 23-nd Annual Conference on Liquid Atomization and Spray Systems, Ventura, CA., May 2011 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2753961C1 (en) * 2020-12-18 2021-08-24 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук Method for determining circumferential profile of relative concentration of liquid phase in sprayed dispersed medium using planar laser-induced fluorescence
RU2792284C1 (en) * 2021-11-18 2023-03-21 Федеральное автономное учреждение "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" (ФАУ "ЦАГИ") Device for determining the heterogeneity of two-phase flows

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Shao et al. A review on East Asian dust storm climate, modelling and monitoring
Agrawal et al. Laser diffraction particle sizing in STRESS
Chien et al. Upon correlating diameters measured by optical particle counters and aerodynamic particle sizers
JP6134063B2 (en) Multi-channel aerosol scattering absorption measuring instrument
Miles et al. Novel optical techniques for measurements of light extinction, scattering and absorption by single aerosol particles
Walker et al. Measurements of light extinction by single aerosol particles
Shinozuka et al. Sea‐salt vertical profiles over the Southern and tropical Pacific oceans: Microphysics, optical properties, spatial variability, and variations with wind speed
US20210405007A1 (en) Low-flow size-selective inlet for air quality sensors and air quality sensor
Chen et al. Study on morphological analysis of suspended particles using single angle polarization scattering measurements
Toole et al. A calibration technique for improving refractive index retrieval from aerosol cavity ring-down spectroscopy
US4929079A (en) Optical granulometry process and devices for broad measuring ranges
Ouimette et al. Fundamentals of low-cost aerosol sensor design and operation
Pueschel et al. Visibility and aerosol size frequency distribution
RU2562153C1 (en) Determination of fields of numerical concentration of disperse phase in aerosol flow and device to this end
Boutier Laser metrology in fluid mechanics: granulometry, temperature and concentration measurements
Lisenko et al. Nephelometric method for measuring mass concentrations of urban aerosols and their respirable fractions
Chuang et al. Design of a CCN instrument for airborne measurement
Kiselev et al. White-light optical particle spectrometer for in situ measurements of condensational growth of aerosol particles
Flower Measurements of the diffusion coefficient for soot particles in flames
Shcherbakov et al. Porous aerosol in degassing plumes of Mt. Etna and Mt. Stromboli
Moteki et al. Multiangle polarimetry of thermal emission and light scattering by individual particles in airflow
Plesa et al. An investigation into scattering of optical radiation in night vision applications
Kocifaj et al. Multi-wavelength radiometry of aerosols designed for more accurate night sky brightness predictions
Tuan et al. The simulation of aerosol Lidar developed at the Institute of Geophysics
Yang et al. Laminar gas inlet–Part 2: Wind tunnel chemical transmission measurement and modelling